发动机代用燃料起动性能研究现状综述

摘 要：随着能源短缺及环境污染问题的日益严重，清洁能源及代用燃料成为内燃机行业的研究热点。本文针对发动机燃用代用燃料起动性能的问题，从柴油燃料、醇类燃料及其他燃料三个方面对国内外目前的研究现状进行全面综述，对发动机代用燃料起动性能后续研究具有借鉴意义。

关键词：发动机；代用燃料；起动

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.255

1 引言

随着能源短缺及环境污染问题的日益严重，清洁能源及代用燃料成为内燃机行业的研究热点。代用燃料理化性质之间的差异影响发动机的喷雾与燃烧，进而对发动机性能产生影响。

起动性能是发动机的一项重要性能指标。在各类代用燃料中，醇类燃料的十六烷值偏低，压燃过程起动困难，成为代用燃料起动研究的重点。

2 柴油燃料起动性能研究现状

国内外学者通过研究，与冷起动性能有关的主要因素有环境温度、喷油参数、倒拖转速和压缩比等。Akram Zahdeh等人利用四冲程的直喷柴油機研究了环境温度与压缩终点温度的关系，他们的研究结果表明，缸内燃油蒸发和混合气的滞燃期与环境温度有着密切的关系[1]。Steven等人利用高速摄影技术研究二冲程的直喷柴油机，他们的研究结果显示，当燃烧壁面温度较低时，附壁油膜难以蒸发，致使缸内燃油蒸发量减少，是冷起动性能变差的原因[2]。Zhiping Han等人对发动机喷油正时与着火之间的关系进行了研究，结果表明，当转速不变的情况下，存在一个能够保证发动机顺利着火的喷油时刻的着火范围，如果喷油时刻不在此范围内，将造成缸内燃烧恶化、发动机失火。在此基础上，Zhiping Han等人分析了起动工况下缸内气体的着火时刻，得到了可以为倒拖转速与喷油正时关系作为指导的缸内混合气体着火时刻[3]。Phatak等人针对倒拖转速进行研究，结果表明，焰前反应时间影响大于压缩压力、压力升高产生的影响[4，5]。Zhiping Han等人经过研究同样表明过高的拖动转速虽然使滞燃期缩短，但由于其所占用的曲轴转角增大，因此易造成滞燃期延伸至膨胀行程，导致着火困难和失火现象[6]。压缩比对压缩压力和温度具有重要影响。提高压缩比能增加压缩压力和温度，不仅能够改善燃油雾化性能，而且能够提高混合气体焰前反应速率，缩短滞燃期[7，8]。Tsunemoto等人的研究也表明了这一点，他指出相对较高的压缩温度和压力能够减小附壁油膜量，提高缸内燃气雾化质量，缩短混合气体滞燃期，以改善冷起动性能[9]。Liu等人针对单缸发动机进行了建模的计算研究，结果显示油膜蒸发影响压缩比，同时燃气浓度增大，有利于混合气体的着火[10]。

近年来，研究者提出了多种柴油机冷起动改进措施[11-14]。Bruno Lindl通过电热装置以及进气预热装置对排量为1.9L的直喷柴油机冷起动性能进行试验，结果表明两种方式均能缩短起动时间并改善HC排放[15]。Ruonan Sun等人利用催化点燃EGR的方法，改善了重型柴油机的在极冷条件下的起动性能[16]。Osuka等人指出采用燃油预喷射的方法可对柴油机的冷起动的时间、排放得到较好的改善。Isao Osuka基于ECD-U2系统，研究了在压缩行程中燃油预喷射对于冷起动性能的影响，结果表明预喷射能够促进冷焰反应，以改善冷起动性能[17]。上海交通大学的彭海勇引入EGR技术，通过废气再循环，有效地提高了柴油机冷起动性能[18，19]。吉林大学的苏岩在压缩比为17.5的单缸柴油机上研究了采用进气道喷射丙烷和乙醚气体对于改进冷起动燃烧的影响。结果表明丙烷对于改善冷起动作用不大，乙醚的喷射可以改善失火和燃烧的不稳定性[20]。

3 醇类代用燃料起动性能研究现状

西安交通大学的胡铁刚研究了三缸进气道喷射汽油机燃用甲醇燃料的燃烧特性，通过对缸压、瞬时转速、进气温度等参数进行分析，得出随着添加比例的增加，发动机起动后的50个循环火焰发展角和快速燃烧角都明显缩短，平均指示压力升高的结论[21]。清华大学的张凡和王真等人在直列四缸水冷点燃式发动机上分别使用汽油、M10、M20和M30四种燃油进行了燃烧与排放特性研究，结果表明发动机冷起动过程中的燃烧持续期随着甲醇添加比例增大而减小，缸内平均指示压力随着甲醇添加比例增大而升高，说明甲醇的添加对于汽油机冷起动燃烧具有一定的改善作用[22]。宫长明在四缸直喷汽油机上研究甲醇燃料的起动性能，他指出，环境温度对甲醇发动机可靠起动影响最显著，当环境温度过低时及时增大循环喷油量也无法使发动机正常起动[23]。吉林大学的王忠对四缸直喷式甲醇发动机起动过程的非常规排放进行研究，结果表明，对于甲醇发动机，其未燃烧的甲醇和甲醇的排放趋势有所不同[24]。Bo Zhang等人在一台经过改装的四缸汽油机上进行了氢气加入以改善甲醇发动机起动性能的研究，结果表明，氢气的加入提高了起动过程缸内最大压力峰值以及起动时的转速，氢气的加入使滞燃期变短[25]。宫长明、邓宝清和王舒等人针对电控喷射点燃式甲醇发动机低温起动困难的问题，研究了多种起动辅助方式对冷起动着火特性的影响，他指出低温条件下采用电热塞加热是最有效的冷起动辅助方式[26]。长安大学的牛庆功等人从甲醇发动机起动性能差的原因出发，阐述了目前主要的冷起动辅助措施及方法[27]。

Luciano Randazzo以及Ricardo Sodré一台在排量为1.2L的四缸柴油机上进行了生物柴油与乙醇互相掺混时的起动性能试验，结果显示随着乙醇的添加，发动机的起动时间增加[28]。Amanda Alves Martins在四缸点燃式发动机上的研究表明乙醇的添加能够显著降低尾气中CO与HC的排放[29]。Paolo Iodice在摩托车的发动机上的试验研究也得到了同样的结论[30]。M.Clairotte通过研究了大比例乙醇代用燃料在低温下的排放特性，得到随着温度降低，乙醇燃料的非常规排放物增多的结论[31]。Luis Carlos Monteiro Sales针对乙醇-汽油点燃式发动机设计了进气预热系统，能够有效改进发动机的起动性能[32]。在国内，山东建筑大学的赵秀亮使用摩托车单缸机进行冷起动试验，结果表明E85的冷起动性己达到汽油的效果[33]。

4 其他代用燃料起動性能研究现状

Luciano Randazzo以及Ricardo Sodré在一台1.2L排量的四缸柴油机上对不同比例的生物柴油-柴油混合燃料进行冷起动性能研究，试验结果表明，随着混合燃料中生物柴油比例的增加，发动机的起动时间相应增加[28]。A.Broatch等人在一台压缩比为16四缸直喷式柴油机上研究了低温条件下不含任何辅助添加剂的生物柴油起动过程得排放特性，他指出，由于生物柴油粘度以及其表面张力均大于普通柴油，造成喷射出的生物柴油雾化不良，造成生物柴油燃烧恶化[34]。

吉林大学和上海交通大学的学者利用压缩比为9.2的单缸四行程点燃式发动机对于液化石油气（LPG）发动机进行研究。宫长明对于循环供油量以及环境温度对于LPG发动机的冷起动特性进行研究，结果表明，LPG燃料的瞬态着火特性与循环供油量有着重要的关系[35]。王振锁的研究表明LPG发动机冷起动时其混合气体的浓度相比稳定燃烧的浓度为其1.5倍，该值比汽油机的稀，导致首次着火的循环相对推迟[36]。刘志敏研究了冷起动过程发动机首次着火循环缸内的燃烧情况，结果表明在温度是影响首循环HC排放的重要因素，但环境温度对于起动过程的瞬时转速影响不大[37]。刘志敏设计控制程序，研究了不同连续失火循环的转速与HC排放特性，他指出首次着火循环之后的下一个循环如果失火，将使HC排放明显增大[38]。杨世春设计了优化喷油参数和气门开度设计了LPG发动机的控制方法，缩短了发动机的起动时间[39]。栗工的表明LPG发动机首循环富氧进气能够有效改善首循环的燃烧，通过放热率计算，富氧燃烧的燃烧速率更快[40]。

B.Afkhami等人在汽车四缸点燃式发动机上的研究结果显示，氢燃料加入压缩天然气后可有效改善其在低温下的起动性[41]。天津大学宋玺娟通过在电喷汽油机上比LPG、汽油、煤油燃料的冷起动特性，结果显示由于煤油在常温下闪点高、密度大，造成其起动性能不佳[42]。Amanda Alves Martins利用四缸点燃式发动机研究压缩天然气（CRG）的排放特性，结果显示其尾气中的NOX、CO排放均明显优于汽油[29]。袁银南针对直列式四缸水冷发动机研究了氢燃料发动机起动的控制理论，制定了相关的起动控制策略[43]。

4 结语

目前国内外主要通过试验的方法对柴油机燃用各类代用燃料的起动性能进行研究。下一步的研究中可建立发动机起动工况下燃用代用燃料的计算模型，计算分析发动机燃用不同代用燃料的起动性能。

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